Multi level Monte Carlo uncertainty analysis of nonequilibrium shock interaction in 11-species air flows

The objective of the thesis is to numerically investigate the physics of shock-shock interaction phenomena developing in an air flow in thermochemical nonequilibrium conditions. The study is focused on the propagation of the uncertainty affecting the upstream flow conditions through the CFD model. In the frame of this thesis, a Multi Level Monte Carlo method is implemented into a in-house computational framework based on the SU2-NEMO open-source CFD solver coupled with Mutation++ thermochemical library. Moreover, the pyAMG tool is exploited to include an anisotropic mesh adaptation process. The framework is first verified against a set of reference test cases. Once verified, the framework is applied for the analysis of a hypersonic inviscid flow in nonequilibrium thermochemical conditions over a double wedge geometry. The double wedge produces two coalescing shocks which give birth to a complex pattern. The application is investigated considering both the 5- and the 11-species air models. The former is complemented by the ANalysis Of VAriance (ANOVA). Results confirm a substantial computational savings w.r.t standard methods and allow to provide insight concerning the physics of shock-shock interaction in nonequilibrium flows.

L'obiettivo della tesi è indagare numericamente la fisica dei fenomeni di interazione tra onde d’urto che si sviluppano in un flusso di aria in condizioni di non equilibrio termochimico. Lo studio si concentra sulla propagazione dell'incertezza, relativa alle quantità del flusso asintotico, attraverso il modello CFD. Un metodo Monte Carlo multilivello è stato implementato in un framework basato sul solver CFD open-source SU2-NEMO accoppiato alla libreria termochimica Mutation++. Inoltre, il software pyAMG viene utilizzato per risolvere il problema tramite griglie adattive. Il framework viene verificato con una serie di problemi di riferimento. Una volta verificato, esso viene applicato per l'analisi di un flusso ipersonico inviscido in condizioni termochimiche di non equilibrio intorno ad una geometria a doppio rampa. L'applicazione è stata studiata considerando sia il modello di aria a 5 che a 11 specie. La prima è supportata da un'analisi di sensitività. I risultati confermano un sostanziale risparmio computazionale rispetto ai metodi standard e consentono di approfondire la fisica dell'interazione tra onde d'urto nei flussi in condizioni di non equilibrio.